すべての物理学の学生には、ポテンシャル、つまりポテンシャルエネルギーがあります。 しかし、それが物理学の観点から何を意味するのかを判断するのに時間をかける人はより多くの可能性そうしない人よりも周りの世界に影響を与えること。 少なくとも、彼らはインターネットミームの装備でしつこい大人に故意に答えることができるでしょう：「私は怠惰ではありません、私は潜在的なエネルギーで溢れています。」
位置エネルギーとは何ですか？
位置エネルギーの概念は、最初は混乱しているように見えるかもしれません。 しかし、要するに、位置エネルギーは蓄積されたエネルギーと考えることができます。 それは持っています潜在的なまだ接続されていないバッテリーや、レースの前夜にランナーが食べようとしているスパゲッティのプレートなど、動きに変化して何かを起こすため。
位置エネルギーは、宇宙で見られるエネルギーの3つの広いカテゴリーの1つです。 他の2つは、運動エネルギーである運動エネルギーと、特別な再利用不可能なタイプの運動エネルギーである熱エネルギーです。
位置エネルギーがなければ、後で使用するためにエネルギーを節約することはできません。 幸いなことに、位置エネルギーはたくさん存在し、それ自体と運動エネルギーの間を絶えず行き来して、何かを起こしています。
変換のたびに、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーの一部が熱エネルギー（熱とも呼ばれます）に変換されます。 最終的には、宇宙のすべてのエネルギーが熱エネルギーに変換され、位置エネルギーがなくなると「熱的死」が発生します。 しかし、その遠い未来の時まで、位置エネルギーは行動の可能性を開いたままにします。
位置エネルギーのSI単位、およびその問題に関するエネルギーのSI単位はジュールです。ここで、1ジュール= 1（ニュートン）（メートル）です。
位置エネルギーの種類と例
位置エネルギーには多くの種類があります。 これらの形態のエネルギーには次のものがあります。
機械的ポテンシャルエネルギー：重力ポテンシャルエネルギー（GPE）とも呼ばれ、これは地球の表面近くなど、重力場に対するオブジェクトの位置.
たとえば、棚の上に座っている本は、重力によって倒れる可能性があります。 地面との関係が高いほど、つまり重力場の源である地球との関係が高いほど、落下が長くなる可能性があります。 これについては後で詳しく説明します。
化学ポテンシャルエネルギー：分子結合に蓄えられるエネルギーは化学エネルギーです。 結合を切断することにより、放出されて運動エネルギーに変換されます。したがって、分子内の結合が多いほど、分子に含まれる位置エネルギーが多くなります。
たとえば、食べ物を食べるとき、消化のプロセスは脂肪、タンパク質、炭水化物、またはアミノ酸の分子を分解し、体がそのエネルギーを使って動くことができるようにします。 脂肪は原子間の結合が最も多い分子の中で最も長いため、最も多くのエネルギーを蓄えます。
同様に、キャンプファイヤーで使用される丸太には、燃焼時に放出される化学ポテンシャルエネルギーが含まれており、木材内の分子間の結合が切断されます。 バッテリーの使用や車内でのガソリンの燃焼など、「行く」ために化学反応を必要とするものにはすべて、化学ポテンシャルエネルギーが含まれています。
弾性ポテンシャルエネルギー：この形式の位置エネルギーは、オブジェクトが通常の形状から変形するときに蓄積されるエネルギーです。 オブジェクトが元の形状から引き伸ばされたり圧縮されたりすると（たとえば、輪ゴムが引き出されたり、バネがきついコイルに保持されたりすると）、潜在的な解放されると、跳ね返ったり跳ね返ったりします。 または、スクイーズのソファクッションに座っている人の痕跡を押し付けて、立ったときに、ソファが座る前と同じように見えるまで、痕跡がゆっくりと元に戻ります。
核ポテンシャルエネルギー：多くの位置エネルギーは、原子をまとめる核力によって蓄えられます。 たとえば、陽子と中性子を所定の位置に保持する原子核内の強い核力。 これが、原子炉、粒子加速器、星の中心、またはその他の高エネルギーの状況でのみ発生するプロセスである、原子を分割することが非常に難しい理由です。
化学ポテンシャルエネルギーと混同しないように、核ポテンシャルエネルギーは保存されます個々の原子の内部. その名前が示すように、原子爆弾は人類の核ポテンシャルエネルギーの最も積極的な使用の1つを表しています。
電位エネルギー：このエネルギーは、特定の構成で電荷を保持することによって蓄積されます。 たとえば、負の電荷が蓄積されているセーターを正または中性の物体に近づけると、潜在的な正電荷を引き付け、他の負電荷をはじくことによって運動を引き起こします。
電場内に保持されている単一の荷電粒子にも電位エネルギーがあります。 この例は、電場に対する電荷の位置が何であるかという点で、重力ポテンシャルエネルギーに類似しています。 重力場に対するオブジェクトの位置がGPEを決定するのと同じように、位置エネルギーの量を決定します。
重力ポテンシャルエネルギー式
重力ポテンシャルエネルギー（GPE）は、高校の物理学の学生が通常計算を実行する数少ないタイプのエネルギーの1つです（その他は線形および回転運動エネルギーです）。 それは重力に起因します。 オブジェクトが持つGPEの量に影響を与える変数は質量ですm、重力による加速度g、および高さh。
GPE = mgh
GPEがジュール（J）で測定される場合、質量はキログラム（kg）で、重力による加速度はメートル/秒/秒（m / s）で測定されます。2）およびメートル（m）単位の高さ。
地球上では、g常に9.8m / sに等しいものとして扱われます2. 他の惑星など、地球が重力加速度の局所的な発生源ではない他の場所では、g他の値があります。
GPEの公式は、オブジェクトの質量が大きいほど、またはオブジェクトが高く配置されているほど、オブジェクトに含まれる位置エネルギーが大きくなることを意味します。 これは、建物の上部から落としたペニーが、歩道の真上にある人のポケットから落としたペニーよりも下部ではるかに速く進む理由を説明しています。 （これはエネルギー保存の法則でもあります。オブジェクトが落下すると、その位置エネルギーが発生します。 減少するため、総エネルギーを維持するには、その運動エネルギーを同じ量だけ増加させる必要があります。 絶え間ない。）
より高い高さから始めるということは、ペニーがより長い距離にわたって下向きに加速することを意味し、その結果、旅行の終わりまでに速度が速くなります。 または、より長い距離を移動し続けるには、屋根のペニーがより多くの位置エネルギーで始まっている必要があります。これは、GPEの公式で定量化されています。
GPEの例
次のオブジェクトを重力ポテンシャルエネルギーの大きいものから小さいものへとランク付けします。
- 3mのはしごの上にいる50kgの女性
- 10mの着陸地点の上部にある30kgの移動ボックス
- パワーリフターの頭上0.5mに保持された250kgのバーベル
これらを比較するには、式GPE = mghを使用して各状況のGPEを計算します。
- 女性GPE =（55 kg）（9.8 m / s2）（3 m）= 1,617 J
- ムービングボックスGPE =（30 kg）（9.8 m / s2）（10 m）= 2,940 J
- バーベルGPE =（250 kg）（9.8 m / s2）（0.5 m）= 1,470 J
したがって、GPEの大部分から最小まで、順序は次のとおりです。移動ボックス、女性、バーベル。
数学的には、すべてのオブジェクトが地球上にあり、g、その番号を省略しても、正しい順序になります（ただし、そうすると、正しい順序になります）ないジュールで実際のエネルギー量を与えてください！）。
代わりに、移動ボックスが地球ではなく火星にあったと考えてください。 火星では、重力による加速度は地球の約3分の1です。 つまり、移動ボックスには、火星の高さ10 mのGPEの約3分の1、つまり980Jが含まれます。